納米透明隔熱涂料的特性與應(yīng)用

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1、納米透明隔熱涂料的特性與應(yīng)用姚晨1,趙石林1,繆國元2(1.南京工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,南京210009;2.江蘇晨光涂料有限公司,江蘇常州213154)摘要:論述了納米透明隔熱涂料的隔熱原理,指出了其隔熱作用不僅與納米半導(dǎo)體合金粉體本身的物理結(jié)構(gòu)有關(guān),而且還與粉體的粒徑有關(guān)。簡(jiǎn)述了納米透明隔熱涂料的特點(diǎn)和涂料制備方法。對(duì)所制備的納米透明隔熱涂料進(jìn)行了表征,表明其具有良好的隔熱作用和高的可見光透過率,起到很好的節(jié)能效果,具有極高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。CSC-E.COMCSC-E.COM關(guān)鍵詞:納米復(fù)合涂料;透明隔熱;半導(dǎo)體合金

2、材料;隔熱原理;應(yīng)用0引言隨著國民經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,節(jié)能和環(huán)保受到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。普通玻璃雖然透明性好,但是對(duì)紅外線的隔絕不夠,給許多需要隔絕熱輻射的場(chǎng)合帶來巨大的能量損失。為節(jié)約能源,人們采取了使用金屬鍍膜熱反射玻璃和各種熱反射貼膜等產(chǎn)品,用以反射部分太陽光中的能量,從而達(dá)到隔熱降溫的目的。但是這些產(chǎn)品有的隔熱效果不佳;有的透光率較低;有的則需要昂貴的設(shè)備,工藝條件的控制也很復(fù)雜,不利于向市場(chǎng)大面積推廣。因此,市場(chǎng)急需一種性價(jià)比高的透明隔熱涂料來解決這一關(guān)鍵問題。本文制備了納米透明隔CSC-E.COM熱涂料,對(duì)

3、其特性進(jìn)行了測(cè)定,并用這種涂料采用簡(jiǎn)單的涂敷工藝制備了單層隔熱玻璃和中空隔熱玻璃,獲得了滿意的結(jié)果。1納米透明隔熱涂料的隔熱原理1.1宏觀特性太陽輻射的能量主要集中在波長(zhǎng)為0.2～2.5μm的范圍內(nèi),具體能量分布如下:紫外區(qū)為0.2～0.4μm,占總能量的5%;可見光區(qū)為0.4～0.72μm,占總能量的45%;近紅外區(qū)為0.72～2.5μm,占總能量的50%CSC-E.COM。CSC-E.COM由此可見,太陽光譜中的能量絕大部分分布在可見光和近紅外區(qū),其中近紅外區(qū)就占了一半的能量。紅外光對(duì)視覺效果沒有貢獻(xiàn),若將這一部分能量進(jìn)行

4、有效阻隔,可以起到很好的隔熱效果而不影響玻璃的透明性。因此,需要制備一種能有效屏蔽紅外光又能使可見光透過的物質(zhì)。納米半導(dǎo)體合金粉體對(duì)太陽光譜具有理想的選擇性,在可見光區(qū)透過率高,而對(duì)紅外光卻具有很好的屏蔽性能,將這種納米半導(dǎo)體合金粉體分散后加入到樹脂溶液中,可獲得納米透明隔熱涂料,該涂料可在玻璃表面形成透明隔熱膜。1.2隔熱效果與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系1.2.1半導(dǎo)體合金結(jié)構(gòu)與隔熱效果的關(guān)系涂膜對(duì)熱輻射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的結(jié)果。當(dāng)光源照射到樣板玻璃表面,熱輻射一部分被載流子吸收,而另一部分由于入射光頻率低于等離子體振蕩固有

5、頻率而被等離子體反射。也就是說,由于自由載離子及等離子體的存在,半導(dǎo)體對(duì)入射光呈現(xiàn)出吸收和反射的作用。由于半導(dǎo)體固體在本身性質(zhì)上的差異,會(huì)出現(xiàn)吸收和反射所占比例上的差別。當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)含有一定濃度的電子(空穴)時(shí),就會(huì)引起自由載流子對(duì)入射光的吸收,吸收系數(shù)α可以式(1)計(jì)算[2]:式中:N—介質(zhì)折射率;ε0—真空電容率;m*—電子(空穴)有效質(zhì)量;μ—導(dǎo)磁率;λ—入射光波長(zhǎng);n—電子(空穴)的濃度。對(duì)于某一特定的半導(dǎo)體以及特定的環(huán)境而言,N、ε0、m*、μ均為定值,由此可見,吸收與入射光的波長(zhǎng)的平方以及載流子的濃度成正比。經(jīng)驗(yàn)表明

6、,當(dāng)電子空穴濃度n≥1017cm-3時(shí),主要的吸收區(qū)在紅外波段。另一方面CSC-E.COM,由于存在自由載流子,會(huì)激發(fā)起與氣體等離子體相類似的、由自CSC-E.COM由載流子集體運(yùn)動(dòng)引起的等離子體振動(dòng),某些物質(zhì)有固有的等離子頻率ωp,用式(2)表示:式中:n—傳導(dǎo)電子密度;e—電子的電荷;ε—介電常數(shù);m—電子的有效質(zhì)量。又有,光垂直入射時(shí),固體的反射系數(shù)用式(3)表述:CSC-E.COM式中:R—固體的反射系數(shù);N—固體的折射率;K—固體的消光系數(shù)。當(dāng)入射光頻率ω小于等離子體振動(dòng)頻率ωP時(shí),折射率N=0,消光系數(shù)K≠0,由式

7、(3)可得R=1,因而對(duì)入射光呈強(qiáng)反射。而當(dāng)入射光頻率大于等離子體振動(dòng)頻率ωP時(shí),半導(dǎo)體則對(duì)入射光呈現(xiàn)前述的載流子吸收。由于大多數(shù)納米半導(dǎo)體粒子的ωp處于紅外波段[3],因而可以認(rèn)為,對(duì)入射光所產(chǎn)生的熱量的阻隔,等離子體反射發(fā)揮一定的作用。CSC-E.COMCSC-E.COM綜上所述,反射和吸收都起到了屏蔽紅外光的作用,即產(chǎn)生了良好的隔熱效果。因此只要通過摻雜制出具有半導(dǎo)體性質(zhì)的合金,就有可能制備出對(duì)紅外光有屏蔽作用的涂料。1.2.2納米半導(dǎo)體合金粉體的粒徑控制材料顆粒的尺寸大小與性能有著顯著的關(guān)系。通過控制納米半導(dǎo)體合金粉體

8、微粒的微晶粒徑和比表面積[4],有可能控制式(2)中傳導(dǎo)電子密度n和介電常數(shù)ε,或有可能把該納米半導(dǎo)體合金粉體的微粒具有的等離子頻率ωP設(shè)定在所期望的范圍。設(shè)納米半導(dǎo)體合金粉體粒徑為r、密度為ρ時(shí),納米半導(dǎo)體合金粉體一定質(zhì)量m的總遮斷面積A可用(4)式表示:從式(4)可以看出